A multi-scale structural analysis of human intervertebral discs using an ex vivo herniation model across Pfirrmann degeneration grades

Lumbar disc herniation is a major contributor to low back pain, the leading cause of years lived with disability worldwide, yet its underlying structure failure mechanisms remain incompletely understood. Most ex vivo studies rely on animal models, limiting translational relevance. The few available human studies focused on compression and flexion only, macroscopic damage assessment, and don’t account for degeneration, although herniation typically occurs in mildly to moderately degenerate discs [8], [58]. This study aims to elucidate the internal failure mechanisms of human IVDs subjected to ultimate, physiologically relevant, complex loading conditions, integrating macro- and microstructural analyses across different degeneration grades. Specifically, we developed: 1) a human-adapted complex loading protocol, 2) an optimised sectioning strategy, and 3) a standardised multi-scale damage classification system. This work was conducted in collaboration with the Department of Bioengineering at Imperial College London under the supervision of Dr. Nicolas Newell. Seven human lumbar spines underwent 3T T2-weighted MRI for Pfirrmann grading [7]. Only mildly degenerate discs (Grades 2-3) were included and allocated to control and test groups. Functional spinal units were dissected and isolated, embedded in PMMA, and subjected to an axial preload. Test samples underwent 13° forward flexion, 4° lateral bending and 2° axial rotation, to replicate asymmetric lifting within physiological limits [10], and then compressed to failure at 40 mm min⁻¹. Samples were then fixed, decalcified, and sectioned. Macro- and microscopic images were acquired. Structural damage was classified and scored on a three-point severity scale. Inter-rater reliability was assessed using Cohen’s weighted kappa, and ordinal mixed-effects models were used for statistical analysis. Mechanical loading significantly increased structural damage, which preferentially involved the annulus fibrosus (AF) and the AF-endplate (EP) interface. Posterior regions were more severly affected than posterolateral areas. Degeneration played a key role. In Grade 3 discs the NP was largely absent, radial tears were wider, ILM disruption was more extensive and outer AF hypertrophy increased compared to Grade 2 discs. These findings support degeneration-dependent herniation pathways. In Grade 2 discs herniation appears pressure-drive with extrusion of inner disc material, whereas in Grade 3 discs outer AF hypertrophy and osteophyte formation can extend beyond the disc and narrow the spinal canal. These results underscore the importance of considering degeneration state in clinical decision-making. Study limitations include intrinsic biological variability among human specimens and limited sample size. Fixed loading angles were selected to ensure consistency and reproducibility, but they do not capture the variability of in vivo ranges of motion. Future work may explore the influence of different loading rates and may incorporate cyclic loading protocols to replicate fatigue-driven damage accumulation.

L’ernia del disco lombare rappresenta una delle principali cause di lombalgia, attualmente al primo posto per anni vissuti con disabilità a livello globale; tuttavia, i meccanismi strutturali alla base del cedimento del disco non sono ancora pienamente compresi. La maggior parte degli studi ex vivo si basa su modelli animali, limitando la trasferibilità dei risultati alla colonna vertebrale umana. I pochi studi condotti su campioni umani si sono concentrati esclusivamente su carichi di compressione e flessione, su osservazioni macroscopiche del danno e non hanno considerato il grado di degenerazione, sebbene l’ernia si verifichi tipicamente in dischi con degenerazione lieve o moderata [8], [58]. Questo studio si propone di chiarire i meccanismi interni di cedimento dei dischi intervertebrali (IVD) umani sottoposti a condizioni di carico ultime, fisiologicamente rilevanti e complesse, integrando analisi macro- e microstrutturali in differenti gradi di degenerazione. In particolare, sono stati sviluppari: 1) un protocollo di carico complesso adattato al modello umano, 2) una strategia di sezionamento ottimizzata, 3) un sistema multi-scala standardizzato di classificazione del danno. Questo lavoro è stato condotto in collaborazione con il Dipartimento di Bioingegneria di Imperial College London sotto la supervisione del Dr. Nicolas Newell. Sette colonne lombari umane sono state sottoposte a risonanza magnetica 3T pesata in T2 per la classificazione secondo Pfirrmann [7]. Sono stati inclusi dischi lievemente degenerati (Gradi 2-3), assegnati a gruppi di controllo e test. Le unità funzionali spinali (FSU) sono state dissezionate e isolate, inglobate in PMMA e sottoposte a precarico assiale. I campioni del gruppo test sono stati sottoposti a 13° di flessione anteriore, 4° di inclinazione laterale e 2° di rotazione assiale, per replicare un sollevamento asimmetrico entro i limiti fisiologici [10], e successivamente compressi fino a cedimento a 40 mm min⁻¹. I campioni sono stati quindi fissati, decalcificati e sezionati. Sono state acquisite immagini microscopiche e macroscopiche. Il danno strutturale è stato classificato e valutato mediante una scala di gravità a tre punti. L’affidabilità inter-valutatore è stata valutata tramite il coefficiente kappa pesato di Cohen, mentre per le analisi statistiche sono stati impiegati modelli misti a effetti ordinali. Il carico meccanico ha determinato un aumento significativo del danno strutturale, che ha coinvolto preferenzialmente l’anulus fibroso (AF) e l’interfaccia AF-placca terminale (EP). Le regioni posteriori sono risultate maggiormente colpite rispetto a quelle posterolaterali. La degenerazione ha svolto un ruolo importante. Nei disci di Grado 3 il nucleo polposo (NP) risultava ampiamente assente, le lacerazioni radiali erano più ampie, la discontinuità della matrice interlamellare più estesa e l’ipertrofia dell’AF esterno più marcata rispetto ai dischi di Grado 2. Questi risultati supportano l’esistenza di vie di erniazione dipendenti dal grado di degenerazione. Nei dischi di Grado 2 l’erniazione appare guidata dalla pressione interna, con estrusione di materiale discale, mentre nei dischi Grado 3, l’ipertrofia e la formazione di osteofiti possono estendersi e restringere il canale spinale. Tali evidenze sottolineano l’importanza di considerare lo stato degenerativo nel processo decisionale clinico. Le principali limitazioni dello studio includono la variabilità biologica intrinseca dei campioni umani e la numerosità campionaria limitata. Gli angoli di carico sono stati fissati per garantire coerenza e riproducibilità, ma non riflettono la variabilità dell’ampiezza dei movimenti in vivo [30]. Studi futuri potranno esplorare l’influenza di diverse velocità di carico e integrare protocolli di carico ciclico per riprodurre l’accumulo di difetti strutturali da fatica.